1、 1 1浅谈 GPS-RTK 在山区地形测量中的应用1 2摘要随着科学技术的不断发展，一方面，对测绘产品提供的图文资料、文字资料无论从精度或信息盘上要求越来越高；另一方面，与测绘相关的仪器设备，计算工具，应用软件，也在不断地更新，科技含量较高的仪器设备被越来越多地应用到了测绘领域。测绘是了解自然，改造自然获取图文资料及相关信息的重要手段，是国民经济建设中的一项基础工作。现如今，GPS技术的发展越来越成熟，它的建立给导航系统和定位技术带来了巨大的变化，很大程度上解决了地球上人类导航和定位问题，该系统能满足不同用户的不同需要。RTK技术是以载波相位观测为根据的实时差分GPS测量，目前它仍在不断的完
2、善中。概述了GPS的起源、发展、原理及应用，介绍了RTK技术的定义、原理、特点、优点等，并且主要通过实践对RTK技术在山区地形图测量应用进行研究，还利用CASS 5.0数字化成图绘出一幅1：1000的地形图。对于特殊问题也进行了具体的研究，主要包括流动站与基准站的设置，基准站的选择，数据处理等问题研究并得出结论。关键词：GPS RTK 山区地形测量 1 3目录摘要. 2目录. 3一 GPS 的组成. 4二 RTK 定义概述及其原理. 4三 RTK 系统流程. 7四 PTK 系统在测量中具体应用. 9五、总结与展望. 20参考文献. 191 4一、GPS系统的组成（一）GPS系统包括三大部分:空
3、间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。(二) GPS定位原理 GPS卫星定位系统定位的基本原理是延时测距，通过测量四个已知位置上信号传播的延迟时间，确定四个已知位置至用户的距离，根据这四个量测距离解算出用户的三维位置和用户与已知位置的时间同步偏差。GPS定位方式大体有两类:单独GPS定位和差分GPS定位(DGPS)。单独GPS定位原理就采用的观测量而言，分为伪距法和载波相位法。前者主要用于导航定位，后者用于精密大地测量和可确定整周期模糊度情况下的动态测量。对于车辆导航系统，大多数用户都采用伪距法。实践中GPS静态定位技术已经比较成熟。由于GPS系统的卫星
4、及地面主控、监控和注入站都由美国管理，并在卫星上实施了 SA和 AS 技术，因此要利用GPS，就要加强对GPS系统的研究，建立自己的卫星跟踪观测网，提高实时监测精度，跟上GPS系统开发前进的步伐。在测量生产中，静态数据采集及平差解算技术已应用十分广泛。而近一两年出现的GPS-RTK技术是一种实时动态观测的新技术，在工程建设、城市规划、交通管理等方面应用它的技术优势有很好的发展前景。RTK实时动态测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS（RTD GPS）测量技术，它是GPS测量技术发展的一个新突破。目前，实时动态测量系统，已在约20km的范围内，得到了成功的应用。相信。随着数据传输设备
5、性能和可靠性的不断完善和提高，数据处理软件功能的增强，它的应用范围将会不断地扩广。1 5二、RTK 定义概述及其原理（一）概述 RTK（Real Time Kinematic）实时动态测量技术，是以载波相位观测为根据的实时差分GPS（RTDGPS）技术，它是测量技术发展里程中的一个突破，它由基准站接收机、数据链、 流动站接收机三部分组成。 （二）原理 基准站把接收的所有卫星信号(包括伪距和载波相位测量值)和基准站的一些信息(如基准站的坐标，天线高等)都通过系统传送到流动站，流动站本身在接收卫星数据的同时，也接收基准站传送的卫星的数据。在流动站完成初始化后，把接收到的基准站信息传到控制器内(一般
6、是微型计算机)，并将基准站的载波观测信号与本身接收到的载波观测信号进行差分处理，即可实时求解得出两站间的基线值，同时输入相应的坐标、转换参数和投影参数，即可实时求得实用的未知点坐标。因此要求GPS接收机要具备很强的运算能力。一般来说RTK系统可达到厘米的定位精度，RTK的工作原理图见2-1。数据调制GPS接收机发射电台基 准 站收讯机数据调解GPS接收机数据调解流 动 站图 2-1 RTK 的工作原理图（三） RTK 的系统组成 GPS-RTK 系统由一个基准站，若干个流动站及通讯系统三部分组成。基准站包括 GPS 接收机、GPS 天线、无线电通讯发射设备使用的电源及基准站控制器等部分。在有的
7、 GPS-RTK 系统中，基准站GPS 接收机本身具有数据传输参数、测量参数及坐标系统等内容的设置功能，使控制器与 GPS 接收机合二为一体。该系统的结构图见图 2-2，RTK 的系统组成图见图 2-3。1 6GPS 接受机 控 制 屏 GPS 接受机电源电源 无线电接受系统无线电发射系统 显示控制屏GPS 天频 反射天频 GPS 天频图 2-2 RTK 系统结构图1. GPS接收机GPS接收机的功能是接收、处理和存储卫星信号。一个RTK系统至少需要两台GPs 接收机，一台为基准站，一台流动站。2. 电台RTK系统中基准站和流动站的GPS接收机通过电台进行通信联系。因此，基准站系统和流动站系统
8、都包括电台部件。如前所述，基准站GPS接收机必须向流动站GPS接收机传输原始数据，流动站GPS接收机才能计算出基准站和流动站之间的基线向量。3. 掌上电脑掌上电脑，是流动站系统的用户介面。RKT系统中的掌上电脑在功能上很像全站仪系统中的数据采集器。很多时候，RKT系统和全站仪系统会使用同样的数据采集器软件(即TDS)作介面。RTK系统中每个流动站只需用到一部掌上电脑(电子手簿)。图 2-3 RTK 系统的组成图4.电源系统基准站和流动站都需要电源才能工作。在流动站中，GPS接收机和电台使用1 7同一电源。在基准站中，GPS 接收机和电台可使用同一或不同电源。无论如何，根据选用电台类型的不同，基
9、准站系统的电源要求可能比流动站系统要高出很多。如果基准站电台必须要将数据传输到5公里以外的流动站系统，基准站电台的发射功率就要很高，耗电量也很大。（四）RTK技术的使用优点 1.传统测量外业容易受地形、气候、季节、森林覆盖等诸多因素的影响，使测量精度、作业速度都受到很大限制，在能见度低、难通视的情况下，有些测量作业根本无法进行。而GPS实时动态测量（RTK）技术的出现，较圆满地解决了这个问题。2.GPS 实时动态测量（RTK）技术的定位精度高，数据也安全可靠，测站间无需通视。在没有现成基准站控制点或基准点被破坏而造成的控制点不足的地区和由于地形复杂、地物障碍而造成的难通视地区能进行快速的高精度
10、定位计算。3.RTK 的综合测绘能力强，作业集成度高，易实现自动化，可胜任各种测绘内、外业。参考站能够为不同用户提供多路多项输出服务，流动站利用内装式软件控制系统，无需人工干预便可自动进行整周未知数的动态初始化解算，使辅助测量工作极大减少，作业精度也完全由它来控制、记录并呈现给指挥管理中心，从而使自动化作业指挥系统的建立成为可能。4.操作简便，容易使用，对作业条件要求不高，数据输入、处理、存储能力强，与计算机、其它测量仪器通信方便。随着微电子技术的进步，RTKGPS 接收机的性能不断改进，使用起来相当方便，在任何条件下都能操作。5.作业人员少，定位速度快，综合、效益高。GPS 接收机仅需要一个
11、人操作，在待测点呆上一、二秒即可获得该点坐标。其他辅助费用少，外业效率高；内业便于利用计算机处理，集成度高，节省人力。6.能在现场实时求解流动站三维坐标，且能实时知道定位时的精度。不需要传统测量所需求的各控制点间通视，每次每个碎步点观测都需读 L、a、S 等，使观测时间大幅缩短。7.一个基准站可以支持多个流动站同时工作。流动站和基准站之间的数据链保证流动站上正确地采集数据，大大提高了工作效率。架好基准站后每个流动站仅需一人操作。8.输入转换参数后可以进行 WGS84 坐标与本地要求的坐标间的正确转换。9.用于放样精度高且异常便捷。RTK 技术具有十分广阔的应用前景。在 2030km 范围内，R
12、TK 实时定位精度可达 cm 级，目前正向 5mm 级迈进。在几百米或 12km 条件下，可以实现毫1 8米级精度动态定位。鉴于它的长距离，高精度的特点，可用于控制测量，比如可以高效率，高精度、经济而又快速地建立或改善工程和城市控制网。同时 RTK 的实时特性又可以应用于地形测量、线路测量、曲线测设及工程放样等方面.特别是 RTK 系统新开发后放样和定线功能。RTK 还可以在局部地区提供较高精度实时导航和定位的能力。结合地理信息系统就可以在陆地，海洋，空中的导航，定位，交通管理等方面作出更大贡献。由于 RTK 技术是一门新型技术，它在具体应用时诸多影响因素的研究国内进行的很少，在空旷地带 RT
13、K 测量的精度、速度、范围都较好。而在城区 RTK 的使用受到诸多因素的影响。1 9三、RTK 系统流程（一）进行 RTK 定位时，基准站将观测值及其已知坐标通过数据链发送给流动站，流动站不仅采集 GPS 观测数据还要接受通过数据链电台送来的基准站数据，并在流动站上形成差分观测之后实时求出流动站坐标，其精度可达到厘米级。在 GPS RTK 测量中，要求有三点:一是能接收 5 颗以上的 GPS 卫星；二是迁站过程中不能关机、不能失锁；三是必须能同时接收到 GPS 卫星的信号和基准站播发的差分信号。RTK 系统数据流程图如图 3-1图 3-1RTK 系统数据流程图 RTK 技术其关键和难点就在数据
14、传输技术和数据处理技术上:1.数据传输技术RTK 技术要求基准站实时向流动站发送信息，要求信息发送量大，数据可靠及误码率小。移动数据通信技术促成 RTK 数据传输技术的成熟，数据传输速度不低于 9600baud，无中继站传输范围也可达到 20km。实时 GPS 测量成功与否，与数据通讯系统是否能把基准站数据实时、准确传送给流动站有很重要的关系。1 10有几种类型的传输方式可供考虑，一是利用实现波，但发射台要架高，传输距离有限；另一种是通过空中卫星传输，这种方式的缺点是造价高，数据经由卫星浪费了时间，还有一种就是目前国际上正在积极开始开展研究方法，即利用高频无线电波进行数据传输。为了适应差分 G
15、PS 发展 的新需要，在 1994 年 1 月 3 日公布了差分GPSRTCM 推荐标准版本，增加了实时动态定位的电文 TYPE18-TYPE21。这是一组用于实时高精度动态测量与定位的专用电文。TYPE21 提供载波相位原始观测，TYPE19 提供伪距原始观测量。这两组观测量均未进行任何改正。这是供相位实时差分 RTK 应用的，在基准站所观测到的卫星数目不同，所使用的发送波特率不同，则传送数据所需要的时间也不同在高精度动态定位中，用户接收机是处于运动状态。为了保证动态测量的实时性，要求必须在尽量短的时间内传送给用户。2.数据处理技术实时厘米级定位精度 GPS 测量要求快速解出整周模糊度。因而
16、需要实时处理相位搜索判断相位观测值的初始整周模糊度，常用搜索方法有：FARA 法，OTF 法。FARA 法最早由 Frei.E 和 Beulter.G 提出用于快速静态作业方案上，以整体统计理论为依据，在某已知值的解空间内，搜索一组方差和最小的似然函数整周数的解集，判断最有显著性，观测时间减少到 5 分钟左右。随后，又出现组合波搜索技术和目前的 Z 跟踪技术以及共同跟踪技术。科技的发展，令人目眩，2000 年 Ashtech 又推出采用 instant-RTK 的 Zxtreme 接收机。随着 GPS 在动态定位领域的发展，特别是 RTK 技术的发展，专家学者提出了各种求解动态测量中相位整周模糊度的 OTF 方法。总体上来讲。按其所用数学思想的不同，OTF 方法可分为四类:双频伪距法，模糊度函数法，最小二乘搜索法和模糊度协方差阵法。
